Ιστορική Εξέλιξη Ηλεκτρομαγνητισμού - Αρχές 19ου αιώνα: Η επινόηση της ηλεκτρικής στήλης ανοίγει καινούριους δρόμους στην επιστήμη

Βολταϊκή Στήλη

Ο 19^ος αιώνας ξεκίνησε με μια σπουδαία ανακάλυψη για την επιστήμη του Ηλεκτρισμού. Η ενασχόληση του Volta με το θέμα του «ζωικού ηλεκτρισμού» και η περαιτέρω εμβάθυνση του προβλήματος, τον οδήγησαν, στην επινόηση της ηλεκτρικής στήλης,
μιας συσκευής που απαρτιζόταν από μια επαναλαμβανόμενη διάταξη ενός δίσκου ψευδαργύρου, υφάσματος εμποτισμένου σε οξύ και ενός δίσκου χαλκού. Η στήλη έδινε συνεχές Ηλεκτρικό Ρεύμα μεγαλύτερης έντασης από αυτήν που παράγουν οι ηλεκτροστατικές μηχανές, γεγονός που αποδείχθηκε καταλυτικό για την εξέλιξη του Ηλεκτρισμού. Ο Volta θεώρησε την ανακάλυψή του αυτή ως την πειραματική απόδειξη του ισχυρισμού του ότι η πηγή του Ηλεκτρισμού στο πείραμα του Galvani ήταν η επαφή ανόμοιων μετάλλων.

Αρχή λειτουργίας Βολταϊκής
Στήλης

Είναι πολύ πιθανόν ότι η επινόηση της Βολταϊκής στήλης έγινε γύρω στο 1792, όμως δεν δημοσιοποιήθηκε μέχρι τις 20 Μαρτίου του έτους 1800, οπότε ο Alessandro Volta έγραψε για το θέμα σε επιστολή προς τον Joseph Banks (1743-1820), πρόεδρο της Βασιλικής Εταιρείας του Λονδίνου, με τίτλο On the Electricity Excited by the Mere Contact of Conducting Substances of Different Kinds (Σχετικά με τον Ηλεκτρισμό που προκαλείται από την απλή επαφή αγώγιμων ουσιών διαφορετικού είδους)^[1]. Στην επιστολή αυτή ο Volta παρομοίασε την συμπεριφορά της στήλης του με εκείνην μιας ασθενώς φορτισμένης φιάλης Leyden, με την διαφορά ότι τα φορτία που παρείχε ανανεώνονταν διαρκώς.

Επίδειξη Ηλεκτρικής Στήλης
στον Ναπολέοντα.

Το Νοέμβριο του 1801 μετέβη στο Παρίσι, όπου παρουσίασε τα πειράματά του στην Γαλλική Ακαδημία. Ο Ναπολέων, αναγνωρίζοντας την σπουδαιότητα της ανακάλυψής του, του απένειμε ειδικό χρυσό μετάλλιο, τον Σταυρό της Λεγεώνας της Τιμής και ένα ποσό 6.000 Γαλλικών φράγκων.

Γρήγορα φάνηκε ότι η παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος με την χρήση βολταϊκών στοιχείων ήταν πλέον πολύ εύκολη. Νέες βελτιωμένες εκδοχές της πρώτης Βολταϊκής Στήλης έκαναν την εμφάνισή τους σχεδόν άμεσα. Οι κατασκευαστές τους χρησιμοποίησαν διάφορα μέταλλα ως ηλεκτρόδια και διαφορετικούς ηλεκτρολύτες ενώ παράλληλα προσπάθησαν να  φτιάξουν όλο και μεγαλύτερες, άρα και ισχυρότερες, στήλες. Σημαντικές επιστημονικές εταιρείες, μεταξύ αυτών και η Βασιλική Εταιρεία του Λονδίνου, διέθεσαν σημαντικά χρηματικά ποσά για την κατασκευή τέτοιων συσσωρευτών, που σε ορισμένες περιπτώσεις ζύγιζαν αρκετούς τόνους και ήταν ικανές να δίνουν ισχύ της τάξης των 10 kilowatts, 10.000 φορές μεγαλύτερη από αυτήν μιας ηλεκτροστατικής

Και εγένετο φως!

μηχανής. Σύντομα όλα σχεδόν τα Ευρωπαϊκά Πανεπιστήμια εφοδιάστηκαν με στήλες διαφόρων μεγεθών.

Ο πρώτος καινός κλάδος της Επιστήμης, η Ηλεκτροχημεία, μονοπώλησε σχεδόν το ενδιαφέρον των επιστημόνων την πρώτη δεκαετία του 19^ου αιώνα. Πολύ γρήγορα, φυσικοί και χημικοί άρχισαν να ερευνούν τις συνέπειες διέλευσης του Ηλεκτρικού Ρεύματος μέσα από διάφορα υλικά, με πρωτοπόρο της έρευνας τον Sir Humphry Davy (1788-1829).

Στις 2 Μαΐου 1800, δύο Άγγλοι χημικοί, ο Anthony Carlisle (1768-1840) και ο William Nicholson (1713-1815) ανέλυσαν το νερό στα συστατικά του, με την διέλευση ηλεκτρικού 

Carlisle και Nicholson. Ηλεκτρόλυση 

του νερού:  Με την βοήθεια 

του ηλεκτρικού ρεύματος το νερό 

διαχωρίζεται σε 

υδρογόνο και οξυγόνο.

ρεύματος μέσα από αυτό (ηλεκτρόλυση), χρησιμοποιώντας μια Βολταϊκή Στήλη, πριν ακόμη δημοσιευτεί η ανακάλυψή της. Συγκεκριμένα, συνέδεσαν τα δύο άκρα της στήλης με δύο σύρματα από λευκόχρυσο, βυθισμένα σε δύο συγκοινωνούντα δοχεία που περιείχαν αραιό διάλυμα οξέως. Παρατηρώντας τις φυσαλίδες που δημιουργήθηκαν, διαπίστωσαν ότι στο ένα δοχείο επρόκειτο για αέριο Οξυγόνο ενώ στο άλλο για αέριο Υδρογόνο. Οι δύο ερευνητές σωστά υπέθεσαν ότι αυτά ακριβώς ήταν τα συστατικά στοιχεία του νερού.

Τον Οκτώβριο του 1800, ο Davy απέδειξε ότι ο ηλεκτρισμός που παρείχαν τα γαλβανικά στοιχεία οφειλόταν σε χημική δράση και ότι ήταν αδύνατη η λειτουργία τους με καθαρό ύδωρ.

Το 1801 ο Johann Ritter συνέλαβε την ιδέα μιας σειράς μετάλλων από την οποία θα μπορούσε να υπολογιστεί η «σχετική ηλεκτρική πίεση» που θα παραγόταν από διάφορα ζεύγη ηλεκτροδίων, βυθισμένα σε διάλυμα άλατος ή οξέως (δηλαδή ουσιαστικά η διαφορά δυναμικού). Αργότερα, την ίδια ιδέα συνέλαβε και ο Volta και η σειρά έγινε γνωστή ως Ηλεκτροχημική Σειρά του Volta.

Μεταξύ των ετών 1802 και 1806, ο Σουηδός χημικός Jöns Jacob Berzelius (1779 - 1848) δημοσίευσε τις έρευνές του περί την Ηλεκτροχημεία, προλειαίνοντας το έδαφος για μια σειρά λαμπρών ανακαλύψεων.

Ο sir Humphry Davy πειραματιζόμενος με 

ένα Βολταϊκό Στοιχείο.

Έτσι, στις 20 Νοεμβρίου 1806, ο Davy, πραγματοποίησε διάλεξη ενώπιον της Βασιλικής Εταιρείας του Λονδίνου, με θέμα On Some Chemical Agencies of Electricity.^[2] Το έργο αυτό αποτέλεσε σημείο αναφοράς στην Χημεία, το πρώτο μισό του 19^ου αιώνα, παρέχοντας μεταξύ άλλων, μια ισχυρή βάση για την ανάπτυξη της Ιοντικής θεωρίας.

Το 1807 έδειξε ότι η Σόδα και η Ποτάσα περιείχαν δύο νέα μέταλλα, το Νάτριο (Na) και το Κάλιο (K), ενώ το 1808 απομόνωσε τα στοιχεία Βάριο (Ba), Βόριο (B), Ασβέστιο(Ca) και Στρόντιο (Sr).

To 1809, με την βοήθεια μιας νέας ισχυρής μπαταρίας, διαχώρισε τα αλογόνα Ιώδιο (I), Χλώριο (Cl) και Φθόριο (F), στοιχεία που είχαν ήδη απομονωθεί και από άλλους ερευνητές.

Τα «φωτεινά» πειράματα του Humphry Davy 

Το 1810 (ή το 1813), ο Davy, πειραματιζόμενος με τα φωτεινά αποτελέσματα του ηλεκτρικού ρεύματος, παρουσίασε για πρώτη φορά το Βολταϊκό Τόξο, δηλαδή την φωτεινή λάμψη που σχηματίζεται μεταξύ των άκρων δύο εγγύτατα ευρισκομένων ηλεκτροδίων γραφίτη, όταν αυτοί διαρρέονται από Ηλεκτρικό Ρεύμα.

Παράλληλα, και καθώς η Ευρώπη διένυε την πολυτάραχη Ναπολεόντεια εποχή ή και αργότερα, επιφανείς φυσικομαθηματικοί επιστήμονες ανέπτυξαν την θεωρία των ηλεκτροστατικών αλληλεπιδράσεων, με τον τρόπο που και σήμερα γνωρίζουμε.

Ο Joseph-Louis Lagrange (1736 - 1813) ήδη από το 1772, είχε εισαγάγει στη βαρύτητα την θεμελιώδη ιδέα του δυναμικού ενώ ο Pierre-Simon Laplace (1749-1827) είχε βρει τη μαθηματική σχέση (Εξίσωση Laplace) για το δυναμικό στο Κενό (1782).

Siméon Denis Poisson

Ο πολυάσχολος Siméon Denis Poisson (1781 - 1840), εξέχων μαθηματικός, γεωμέτρης και φυσικός, υπέβαλε το πρώτο μέρος της έρευνάς του περί τον Ηλεκτρισμό στην Γαλλική Ακαδημία, στις 9 Μαρτίου 1812, με τον τίτλο Sur la distribution de l'électricité à la surface des corps conducteurs. Η σπουδή του αυτή απεδείχθη βαρύνουσας σημασίας για την εκλογή του στο τμήμα Φυσικής του Γαλλικού Πολυτεχνικού Ινστιτούτου Επιστημών, σηματοδοτώντας την στροφή του Ινστιτούτου από την πειραματική έρευνα προς την κατεύθυνση της θεωρητικής έρευνας της φυσικής, σε συμφωνία με την κατευθυντήρια γραμμή που είχε δώσει ο Laplace.

Το έτος 1813 ο Poisson, δημοσίευσε για πρώτη φορά στο Bulletin de la société philomatique το επόμενο σημαντικό του πόνημα, που αφορούσε στην επέκταση της σχέσης του Laplace (Εξίσωση Laplace) στην περίπτωση που υπάρχουν ηλεκτρικά φορτία, και στην διατύπωση της Εξίσωσης Poisson, που αποτελεί την θεμελιώδη μαθηματική εξίσωση του Ηλεκτροστατικού Πεδίου.

O δεύτερος επιστημονικός κλάδος που γεννήθηκε εκείνη την σημαντική χρονική περίοδο, έμελλε να αλλάξει την ιστορία της Ανθρωπότητας, συνενώνοντας -όχι απροσδόκητα- δύο τομείς της επιστήμης, που διήγαν ως τότε βίους παράλληλους: Τον ηλεκτρισμό και τον μαγνητισμό.

Στις αρχές του 19^ου  αιώνα η Φυσική Φιλοσοφία, με βασικό εκπρόσωπο τον Frederic Wilhelm Schelling (1775 - 1854), επηρεασμένη από τον Γερμανικό Ρομαντισμό, συνηγορούσε υπέρ της ενότητας των δυνάμεων στην Φύση. Η πεποίθηση αυτή, αν και συγκεχυμένη, οδήγησε τη σκέψη ορισμένων φυσικών στην αποδοχή της ύπαρξης ενός κοινού τόπου, μεταξύ ηλεκτρικών και μαγνητικών δυνάμεων.

Υπήρχαν, ήδη, αρκετές ενδείξεις ότι πράγματι ίσχυε κάτι τέτοιο, όπως το γεγονός της μαγνήτισης ατσάλινων τεμαχίων ή βελονών από τις αστραπές ή την αποφόρτιση ηλεκτρικών μηχανών. Την σύνδεση των ηλεκτρικών με τα μαγνητικά φαινόμενα είχε υποψιαστεί και ο Benjamin Franklin, ο οποίος παρατήρησε ότι το ρεύμα του κεραυνού μάλλον προκαλεί Μαγνητισμό, άποψη που εν τέλει απέρριψε. Η βαρύνουσα γνώμη μιας αυθεντίας της Επιστήμης, όπως ήταν ο Franklin, σε συνδυασμό με την αδυναμία να πραγματοποιηθούν σοβαρές εργαστηριακές έρευνες, ήταν οι κύριοι λόγοι για τους οποίους ο θεωρητικός συσχετισμός των ηλεκτρικών με τα μαγνητικά φαινόμενα, άργησε να έλθει στην επιφάνεια.

Gian Domenico Romagnosi

Η επιτυχία αντιστροφής της πολικότητας μαγνήτη με ηλεκτρικά μέσα από τον Boze, η τόλμη του Cesare Beccaria να συνδέσει το Γήινο Μαγνητικό Πεδίο με την κυκλοφορία κάποιου «ηλεκτρικού ρευστού» γύρω από τη Γη, καθώς και η καταγραφή, το καλοκαίρι του έτους 1802, από τον Ιταλό νομικό και ερασιτέχνη πειραματιστή Gian Domenico Romagnosi, της απόκλισης μιας μαγνητικής βελόνας, παρουσία αγωγού διαρρεόμενου από ηλεκτρικό ρεύμα, απλά προστέθηκαν, ως αναξιοποίητα στοιχεία, στον κατάλογο των αποδείξεων που συνηγορούσαν υπέρ της ενοποίησης του ηλεκτρισμού με τον μαγνητισμό.

(Συνεχίζεται...)

----------

^[1]  Volta, Alessandro On the Electricity Excited by the Mere Contact of Conducting Substances of Different Kinds.

^[2]  Sir Davy, Humphry: Bakerian Lecture, On Some Chemical Agencies of Electricity (1806).